presentazione_leds_30_aprile

Report
Università degli Studi di Padova
Dipartimento di Ingegneria Industriale
Il contributo offerto dalle celle di tipo
Na-Beta per massive installazioni di
accumulo elettrochimico sulla rete
elettrica di trasmissione
Mauro Andriollo, Roberto Benato, Sebastian Dambone Sessa
Dipartimento di Ingegneria Industriale (DII)
Università di Padova
Padova, mercoledì 30 aprile 2014
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Dipartimento di Ingegneria Industriale
1800
Alessandro Volta
Memoria (in francese) a Sir. Joseph
Banks della Royal Society intitolata “On
the electricity excited by the mere
contact of conducting substances of
different kinds”
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Dipartimento di Ingegneria Industriale
Organo elettrico naturale
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Dipartimento di Ingegneria Industriale
Organo elettrico artificiale
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Dipartimento di Ingegneria Industriale
La dedizione di Volta per l’elettrotecnica
era tale che
Amperometro di precisione  LINGUA
PILA ….QUIDEM TOTA
NOSTRA EST
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Dipartimento di Ingegneria Industriale
OGGI….l’organo elettrico artificiale di Alessandro Volta
………………………………..installazioni di accumulo stazionario
Altro primato italico?
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PECULIARITÀ DELLE CELLE Na-BETA
La parte anodica è costituita da Sodio (Na)
Viene utilizzato un elettrolita sotto forma ceramica, la
beta-allumina (''-Al2O3) la cui conducibilità ionica (agli
ioni sodio) aumenta con la temperatura.
Come ordine di grandezza, a 350°C essa vale circa 0,4 -1
cm-1.
Ottenere un’elevata conducibilità ionica implica la
necessità di tenere la cella ad alta temperatura (tra 280°C
e 350°C).
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TIPOLOGIE DI CELLE Na-BETA
NaS (sodio-zolfo)
Na-Beta
NaNiCl2 (sodio-cloruro di nichel)
Note anche come ZEBRA
(Zero Emission Battery Research Activity)
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TECNOLOGIA NaS: STRUTTURA DI UNA CELLA
 la cella è di forma cilindrica;
Na:780 g
14,72 %
S:1560 g
29,43 %
con Fe-Cr 75
 l’elettrodo negativo (o anodo)
è costituito da sodio allo stato
Fuso;
 La β-allumina ceramica
assume la forma a "bicchiere";
 l'elettrodo positivo (o catodo)
è costituito da zolfo
sotto forma di feltro di grafite.
La cella è a chiusura ermetica così da isolare gli elettrodi dall'atmosfera
esterna. L'involucro della cella è in alluminio rivestito internamente da una
lega Fe-Cr 75
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Dipartimento di Ingegneria Industriale
TECNOLOGIA NaS: REAZIONI CHIMICHE
REAZIONE ANODICA
durante la fase di scarica il sodio
metallico del comparto anodico si ossida
liberando elettroni
2Na
REAZIONE CATODICA
all'elettrodo positivo (catodo) lo zolfo
invece si riduce
xS+2e-
scarica
carica
scarica
carica
2Na++2e-
S
-2
x
REAZIONE COMPLESSIVA
gli ioni sodio formatisi migrano
attraverso l'elettrolita verso il comparto
catodico ed in tal modo avviene la
reazione reversibile di formazione di
polisolfuro
2Na+xS
scarica
carica
Na2Sx x=(5÷3)
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TECNOLOGIA NaS: CARATTERISTICHE
ELETTRICHE DELLA CELLA
OCV [V]
2,08
a piena carica e media di scarica
Tensione
di
fine
scarica
1,82
dichiarata dal costruttore [V]
Capacità [Ah]
632 ad esempio 79
A per 8 h
Tipico regime di scarica
C/8
Rendimento [%]
89
Diametro [mm]
91
Lunghezza [mm]
515
Peso [kg]
5,3
Volume [m3]
0,0033
Cicli
di
congelamento/scongelamento
Superiori a 20
(freeze-thaw)
Energia specifica volumetrica
392
[kWh/m3] o [Wh/l]
Energia specifica ponderale
248
[Wh/kg]
Energia specifica ponderale e
volumetrica
estremamente
alte;
Assenza di autoscarica (no
carica di mantenimento);
Assenza di effetto memoria
(no reconditioning);
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TECNOLOGIA NaNiCl2: STRUTTURA DI UNA
CELLA
 la cella è di forma parallelepipeda;
 l’elettrodo positivo (o anodo) è costituito da granuli
di sale e di polvere di nichel e ferro (con tracce
additive di alluminio);
 la β-allumina ceramica assume preferibilmente la
forma a quadrifoglio o quadrilobato (o tetralobato),
perché aumenta, rispetto a quella circolare, la
superficie di contatto;
 l’elettrodo negativo (o anodo) è rappresentato
dall’involucro della cella, ed è formato da un
contenitore saldato in modo continuo e ottenuto da
un nastro d'acciaio rivestito di nichel.
 PRESENZA
SECONDO
ELETTROLITA
LIQUIDO O CATOLITA (tetracloroalluminato di
sodio NaAlCl4)
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TECNOLOGIA NaNiCl2: REAZIONI CHIMICHE
REAZIONE ANODICA
durante la fase di scarica il sodio
metallico del comparto anodico si
ossida liberando elettroni
2Na
scarica
carica
2Na++2e-
REAZIONE CATODICA
all'elettrodo positivo (catodo) il
NiCl2 +2 Na+ +2ecloruro di nickel invece si riduce
scarica
carica
Ni+2 NaCl
REAZIONE COMPLESSIVA
gli ioni sodio formatisi migrano
attraverso l'elettrolita verso il
comparto catodico ed in tal modo
avviene la reazione reversibile di
formazione di policloruro
scarica
NiCl2+2Na
carica
2 NaCl+Ni
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TECNOLOGIA NaNiCl2: CARATTERISTICHE
ELETTRICHE DELLA CELLA
OCV [V] a piena carica / media di
scarica
Tensione di fine scarica dichiarata
dal costruttore [V]
Capacità [Ah]
Tipico regime di scarica
Rendimento [%]
Sezione quadrata lato [mm]
Lunghezza [mm]
Peso [kg]
Volume [m3]
Cicli di
raffreddamento/riscaldamento
(freeze-thaw)
Energia specifica volumetrica
[kWh/m3] o [Wh/l]
Energia specifica ponderale
[Wh/kg]
2,59 / 2,50
da 1,90 a 2,25 Vpc in
accordo con il regime
di scarica
38
da 3 a 5 ore (correnti
da C/3 a C/5 A)
90
36
236
0,680
3x10-4
Nessun limite
280
140
OCV più alta della cella
NaS;
Energia specifica ponderale
e volumetrica alte;
Assenza di autoscarica (no
carica di mantenimento);
Assenza di effetto memoria
(no reconditioning);
PRESENZA
CATOLITA
tetracloroalluminato di sodio
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PULSE FACTOR NaNiCl2
Il pulse factor espresso in p.u. rappresenta il rapporto tra la potenza che può essere ricavata
dalla batteria in scarica e la potenza nominale.
tempo convenzionale di scarica:3 h
Potenza [% di Pn]
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
50
100
150
200
250
300
Tempo [min]
350
400
450
500
550
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PULSE FACTOR NaS:
tempo convenzionale di scarica:7,2 h
600
Potenza [% di Pn]
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
Tempo [h]
5
6
7
8
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NaS
Passaggio dalla cella al modulo all’unità da 1,2 MW
0,651
0,651
2,190
1,752
2,190
1,752
CELLA
MODULO
UNITÀ
Università degli Studi di Padova
Dipartimento di Ingegneria Industriale
Modulo NaS
Potenza in scarica normale
Tensione cc nominale e
composizione delle celle
Potenza di ricarica nominale
Energia elettrica
immagazzinata
Temperatura della batteria
all'avvio
Dimensioni [m]
Peso
Numero cicli di
congelamento-scongelamento
31,6 kW
 32 V
4s×(14p×4s)
28,5 kW
227 kWh
300°C
1,858 L × 1,592
P×0,655 A
 3 000 kg
10 cicli
(con temperatura
inferiore a 150°C)
30 cicli
(con temperatura da
150 °C a 250°C)
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Modulo NaS
Collegamenti serie e parallelo delle celle
+
-
a)
+
-
b)
+
-
c)
Opzioni di base per il collegamento delle celle nel
modulo: a) Serie di lunghe stringhe; b)
connessione di parallelo totale; c) soluzione serieparallelo (soluzione per NaS)
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NaNiCl2
Passaggio dalla cella al modulo all’unità da 0,5 MW
CELLA
MODULO
UNITÀ
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Modulo NaNiCl2
Potenza in scarica normale
Tensione cc nominale et
composizione delle celle
Potenza di ricarica nominale
Energia elettrica
immagazzinata
Temperatura della batteria
all'avvio
Dimensioni
7,8 kW (tempo di scarica 3 h)
620 V
1 stringa di 240 celle in serie
6 kW
23,5 kWh
240 °C
862 (1016 con Battery
Management System - BMS)
L × 556 P × 389 A (mm)
Vita calendariale / cicli di vita
15 anni / 4500 cicli DOD 80%
in funzione del DoD
Peso
 256 kg
Numero cicli di congelamentonessuna limitazione
scongelamento
Integrati in BMS: contattori
N.A., fusibile, controllo
isolamento elettrico,
Protezioni elettriche previste
sovraccarica, sovrascarica,
corrente max, range di
tensione
Unità NaNiCl2
Potenza nominale [MW]
0,5
Tensione Nominale [Vdc]:
Tempo di scarica standard [h]
Capacità Nominale [Ah]:
Energia immagazzinata
[MWh]
Tensione Minima di sistema
[Vdc]
Tensione Massima di sistema
[Vdc]
620
Design del circuito
Efficienza [%]
Ventilazione:
Peso complessivo con moduli
e tutto il necessario montato
[t]
Tara [t]
Capacità [m3]
Energia specifica volumetrica
[kWh/m3]
Energia specifica ponderale
[Wh/kg]
3
2 432
1,5
450
700
64 moduli
batteria collegati
in parallelo
93
ventilazione
forzata nella
zona BMS
25
4,4
34,08
44
60
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Modulo NaNiCl2
Collegamento serie di 224 celle! Perché?
Il motivo va ricercato all’interno della cella e nella
presenza del catolita tetracloroalluminato di sodio
che nel caso di rottura della ’’-allumina forma sale
e alluminio che cortocircuita la cella:
NaAlCl4+3 Na4 NaCl+Al
Ripercussioni su availability e
sicurezza (analisi del rischio)
Il modulo è FAULT TOLERANT e può rimanere in esercizio
fintantoché il 10-15 % delle celle costituenti lo stesso sono guaste
NaS:LIVELLI
SICUREZZA
UniversitàMULTIPLI
degli Studi diDI
Padova
Dipartimento di Ingegneria Industriale
Componente
Funzione
Livello cella

Safety tube
1° livello
Tubo protettivo in acciaio inossidabile
Rivestimento interno all'involucro realizzato in lega
alluminio Fe-Cr
Ulteriori strati d'isolamento termico e resistenti al fuoco
nell'involucro della cella


Controlla la reazione tra il sodio e lo zolfo nel caso di rottura della
''-allumina
Evita la rottura dell'involucro di cella;
Limita la corrente di corto circuito (interrompendo il flusso di sodio)
Limita la deformazione della cella nel caso di guasto
Annulla la possibilità di corrosione dovuta alla formazione, durante la
scarica, dei polisolfuri di sodio
Evitano che un eventuale incendio in una cella si propaghi alle celle
adiacenti
Livello modulo
2° livello
Fusibili (ogni 4 celle)
Interrompono la corrente di corto circuito
Connessioni tra celle
Limitano le sovratensioni in una data cella
Riempimento del modulo con sabbia
Involucro termico che realizza il vuoto in doppio strato di
acciaio inossidabile con spessore 0,81 mm (in tutto la
doppia parete occupa 3  6 cm)
Monitoraggio e controllo
Compartimento del modulo mediante pannello con
caratteristiche d'isolante elettrico


Assorbe il materiale attivo in caso di sversamento;
Evita la propagazione del fuoco originato da una cella;


Evita lo sversamento di materiale nell'ambiente;
Evita il contatto delle celle con l'ossigeno e inibisce quindi la
combustione;



Controlla carica-scarica;
Rileva il guasto e dà un allarme;
Mette fuori servizio l'apparecchiatura se guasta;
Evita che un eventuale corto circuito dovuto a sversamento di materiale
fuso si estenda a tutto il modulo
Moduli resistenti al fuoco all'interno del modulo nella parte
Evitano la propagazione del fuoco tra modulo e modulo per un dato tempo
superiore e inferiore
Livello unità
3° livello
Pareti in acciaio galvanizzato con spessore  2,3 mm
dell'armadio contenente i moduli
Buona protezione dalle fulminazioni dirette nonché dalla penetrazione di
proiettili derivanti da errata pratica venatoria o da vandalismi.
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NaS: SICUREZZA INTERNA ALLA CELLA
1° livello
Tubo di sicurezza
''-allumina
S
Il dimensionamento corretto del safety
tube limita quindi la quantità di sodio
fuso che entra in contatto con lo zolfo
in modo che la generazione di calore
che si sprigiona dalla reazione chimica
sia limitata ad un valore tale da non
rompere l'involucro della cella.
Na
Spazio anulare tra tubo di alluminio e
elettrolita ceramico decresce per il più alto
coefficiente di espansione termica del primo
elemento rispetto al secondo
Foro nel tubo di sicurezza per il
passaggio Na fuso
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NaS: SICUREZZA INTERNA AL MODULO
2° livello
Sabbia tra le celle;
Compartimentazione;
doppio strato di acciaio
inossidabile ciascuno di 1
mm di spessore;
Fusibili ogni 4 celle;
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NaS: SICUREZZA INTERNA ALL’UNITÀ
3° livello
Più spazio d’aria tra modulo e modulo;
Pannelli resistenti al fuoco all’interno del modulo;
Gli armadi sono di acciaio galvanizzato con spessore 2,3
mm (se fossero 4 mm sarebbero GABBIA DI FARADAY);
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NaNiCl2:SICUREZZA INTRINSECA
L'impossibilità fisica dell'incendio endogeno
all'interno della cella si basa sulla sicurezza
intrinseca delle reazioni chimiche dovute alla
presenza del secondo elettrolita fuso o catolita.
Esso assorbe il sodio proveniente dalla rottura della
β-allumina formando sale e alluminio (con il
conseguente corto circuito della cella)
NaAlCl4+3 Na4 NaCl+Al
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ANALISI DI RISCHIO
SEVERITÀ
(MAGNITUDO)
Definizione
Catastrofico
Pericoloso
Importante
Meno grave
Trascurabile
PROBABILITÀ
Definizione
Valore
Valore
5
4
3
2
1
Frequente
Occasionale
Remota
Improbabile
Estremamente improbabile
5
4
3
2
1
IPR= Severità × Probabilità
1  IPR  25
Intervallo di
probabilità
10-1<P1
10-2<P10-1
10-3<P10-2
10-4<P10-3
10-9P10-4
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ANALISI DI RISCHIO
Gli eventi presi in considerazione sono i seguenti:
•Terremoto e vibrazioni;
•Inondazione;
•Utilizzo inappropriato (Mishandling);
•Attività ceraunica (fulminazione diretta e
indiretta);
•Incendio causa endogena ed esogena;
•Sabotaggio e attività venatoria;
•Impatti esterni (veicolo terrestre, velivolo pesante
e leggero).
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NaS: ANALISI DI RISCHIO
Installazione all'aperto
Severità
Probabilità
IPR
Terremoto
1
4
4
Inondazione
1
4
4
Fulminazione diretta
2
2
4
Fulminazione indiretta
1
1
1
Incendio causa endogena
2
1
2
Incendio causa esogena
2
2
4
Sabotaggio
3
3
9
Attività venatoria
2
2
4
Impatto con veicolo terrestre
2
2
4
Caduta velivolo leggero
4
1
4
Caduta velivolo pesante
5
1
5
Tutti gli indici di priorità del rischio sono bassi (IPR9)
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NaNiCl2: ANALISI DI RISCHIO
Installazione all'aperto
#
EVENTI
Severità
Probabilità
IP
R
1
Terremoto
1
4
4
2
Inondazione
1
4
4
3
Mishandling
1
2
2
Fulminazione diretta
2
2
4
Fulminazione indiretta
1
1
1
Incendio causa endogena
1
1
1
Incendio causa esogena
1
2
2
Sabotaggio
2
3
6
Attività venatoria
2
2
4
2
2
4
Caduta velivolo leggero
4
1
4
Caduta velivolo pesante
5
1
5
4
5
6
Impatto
7
con
veicolo
terrestre
Tutti gli indici di priorità del rischio sono molto bassi (IPR6)
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SEVESO III
Il riferimento normativo più importante inerente all'applicazione di accumulo
elettrochimico mediante celle secondarie Na-NiCl2 risulta essere il Decreto
Legislativo 17 agosto 1999, n. 334 (attuazione della direttiva 96/82/CE relativa al
controllo dei pericoli di incidenti rilevanti connessi con determinate sostanze
pericolose) coordinato con le modifiche introdotte dal Decreto Legislativo 21
settembre 2005, n. 238 (GU n. 271 del 21/11/2005- Suppl. Ordinario n. 289). Tale
decreto prende anche il nome di Seveso III.
PER NON RIENTRARE NELL'ART. 8 IL NUMERO
DI UNITÀ PUÒ ARRIVARE FINO A:
NaNiCl2 FINO A 190 UNITÀ, PARI A CIRCA 95 MW e
285 MWh).
NaS FINO A 10 UNITÀ, PARI A CIRCA 12 MW e
86,4 MWh)
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CONCLUSIONI
NECESSARIO UN APPROCCIO MULTIDISCIPLINARE: Le ricerche hanno
toccato molte branche dell'ingegneria: la chimica, l'elettrotecnica, il
comportamento al fuoco, l'analisi del rischio etc.
La famiglia Na-beta è COMPATIBILE per massive installazioni di accumulo
elettrochimico sulla rete di AT.
RICERCHE IN CORSO
NECESSARIO UN MODELLO AFFIDABILE DELLA CELLA, DEL
MODULO e DELL’UNITÀ VALIDATO DA DATI SPERIMENTALI ;
NECESSARIO UN MODELLO AFFIDABILE CHE UNISCA IL MODELLO
DI CUI AL PUNTO PRECEDENTE CON IL POWER CONVERSION
SYSTEM (PCS);
CALCOLO
DELL’AVAILABILITY
DELL’INSTALLAZIONE
CHE
ABBISOGNEREBBE DEI FAILURE RATES DI MODULI CHE NON
HANNO RETURN ON EXPERIENCE E QUINDI DI DIFFICILE
REPERIBILITÀ;

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